Аргументы в пользу создания постоянной базы на Луне как стартовой площадки для освоения космоса выдвигались неоднократно на протяжении многих лет. Однако фактическое строительство реального лунного объекта сопряжено с многочисленными серьезными логистическими проблемами, не последней из которых являются астрономически высокие затраты на отправку грузов в космос.
Новое исследование, опубликованное 3 апреля в журнале Device, предполагает, что ответ по крайней мере на одну из лунных логистических проблем может буквально находиться прямо на Луне. В статье рассматривается идея использования лунного реголита — тонкого слоя пыли и мелких частиц, покрывающего лунную поверхность — для изготовления стекла для солнечных панелей. Полученное “лунное стекло”, выплавленное непосредственно на Луне, затем будет использоваться как защита для солнечных панелей на основе перовскита. Эти панели могут служить источником энергии для лунного объекта.
Что такое перовскиты?
Перовскиты — это общий термин для материалов с кубической кристаллической структурой, аналогичной минералу перовскиту. Их потенциал для использования в солнечных элементах в последние годы часто становился темой заголовков, во многом благодаря преимуществам, которые они предлагают по сравнению с традиционными кремниевыми элементами. В частности, перовскиты обладают высокой потенциальной эффективностью и теоретически позволяют создавать значительно более тонкие и легкие панели, чем кремниевые элементы.
Феликс Ланг, соавтор исследования и руководитель группы (Радиационно-)стойкой электроники с мягкими полупроводниками (ROSI) в Институте физики и астрономии Потсдамского университета, объясняет, что идея заключается в сочетании высококачественных перовскитов, доставленных с Земли, со стеклом, изготовленным на месте.
Он оценивает, что это “позволит нам сэкономить >99% массы [по сравнению с доставкой как стекла, так и перовскитов с Земли]”. Экономия, в свою очередь, позволит транспортировать большее количество перовскитов.
“Нам требуется толщина менее 1 микрометра для перовскита, так что с 1 кг [или 2,2 фунта перовскитов] мы можем произвести около 400 м² солнечных элементов”, — говорит Ланг.
Осуществимость этой идеи зависит от нескольких факторов, важнейшим из которых является пригодность самого реголита для изготовления стекла. Состав лунного реголита варьируется в зависимости от широты. Реголит, найденный в высокогорьях Луны, несколько отличается от того, что находится ближе к экватору.
Чтобы учесть эти изменения широты, команда создала несколько образцов, имитирующих состав реголита, и протестировала пригодность каждого образца для изготовления стекла. Они обнаружили, что стекло, изготовленное из образца, имитирующего реголит высокогорных регионов Луны, названного TUBS-T, может иметь важное дополнительное преимущество. TUBS-T потенциально может решить серьезную проблему эксплуатации солнечных панелей в суровых лунных условиях — радиацию.
Фактор радиации
Космос буквально наполнен радиацией. Здесь, на Земле, мы защищены от большей ее части атмосферой, но Луне не так повезло. Ее поверхность получает примерно в 200 раз больше радиации, чем наша прекрасная родная планета. Такая высокорадиационная среда плохо влияет на человеческий организм, но также воздействует и на другие вещества — например, на стекло. Когда обычное стекло используется в космосе, непрерывная бомбардировка радиацией приводит к неприятным последствиям: со временем оно темнеет и становится непрозрачным.
Очевидно, это именно то, чего совсем не хочется в стекле, которое используется в лунных солнечных панелях. Любое стекло, применяемое в космосе, должно быть чрезвычайно устойчиво к радиации.
Имитация лунного реголита, лунное стекло и лунные солнечные элементы. Врезка показывает микроснимок поперечного сечения и кристаллическую структуру перовскита.
“Добавление [оксида железа] в стекло используется [для создания] специального космического стекла, [и] оксид церия также работает”, — объясняет Ланг.
Одной из определяющих характеристик TUBS-T является наличие небольшого количества оксида железа (II). Эта примесь приводит к тому, что стекло уже имеет легкий коричневый оттенок и устойчиво к дальнейшему потемнению — именно такой тип “специального космического стекла”, о котором говорит Ланг. Так что теоретически наличие легкодоступного источника материала, который можно было бы использовать для производства радиационно-стойкого стекла на Луне, стало бы огромным преимуществом для потенциальной лунной базы.
Расчет затрат
Тем не менее долгосрочные преимущества возможности производства стекла на Луне должны быть сопоставлены с первоначальными затратами на создание соответствующего предприятия. Например, зеркала нужно будет доставить с Земли, как и все остальные критически важные детали и инфраструктуру.
Ланг говорит, что непросто оценить, сколько времени потребуется, чтобы первое перевесило второе. “На данном этапе мы, однако, не уверены, насколько тяжелым должно быть оборудование, так как это также будет зависеть от многих факторов, например, производственных мощностей”.
Тем не менее в исследовании смоделированы различные сценарии по количеству энергии, которое необходимо было бы генерировать, чтобы идея “лунного стекла”/перовскита была эффективнее, чем просто доставка готовых панелей с Земли. Было найдено оптимальное значение в диапазоне от 3 до 10 мегаватт фотоэлектрической генерации: при более низких уровнях преимущества перевешиваются стоимостью доставки производственного оборудования, а при более высоких уровнях вес требуемых исходных материалов начинает оказывать влияние.
Проблемы Земли против лунных проблем
Кроме того, Ланг говорит, что лунное стекло также поможет смягчить еще одну потенциальную проблему — относительно хрупкую природу солнечных элементов на основе перовскита. Солнечные панели на основе перовскита могут достигать более высокой эффективности, чем традиционные кремниевые панели.
Здесь, на Земле, эти солнечные элементы страдают от проблем с нестабильностью, в основном из-за деградации окружающей среды под воздействием влаги и кислорода. Хотя некоторые из этих проблем отсутствуют на Луне, лунные солнечные панели могут столкнуться с проблемами чувствительности к УФ-излучению и восприимчивости к тепловому удару.
“Мы все еще работаем над этими вопросами”, — говорит Ланг. Он отмечает, что предварительные данные команды показывают, что лунное стекло делает перовскитовые элементы “гораздо более устойчивыми к УФ-излучению, чем кварцевые или стеклянные перовскитовые солнечные элементы, поскольку лунное стекло поглощает часть вредного УФ-излучения до того, как оно достигает перовскита”.
По крайней мере в одном отношении, Ланг говорит, что перовскиты идеально подходят для внеземного использования. Даже с учетом этой чувствительности к УФ-излучению, они чрезвычайно устойчивы к радиации.
“Перовскиты… переносят очень высокие дозы радиации без повреждений. Мы называем их радиационно-устойчивыми, поскольку их мягкая решетка позволяет не только переносить радиационные повреждения, но и фактически самовосстанавливаться после этого”.
Об авторе
